스테인리스 스틸 커팅: 알아야 할 6가지 인기 기술
제조업체가 스테인리스 스틸을 절단할 때 어떻게 정밀도와 효율성을 달성하는지 궁금한 적이 있으신가요? 이 기사에서는 스테인리스강 절단을 위한 6가지 고급 기술에 대해 자세히 알아보고 그 장점과 응용 분야를 강조합니다....
빠르게 진화하는 제조업계에서는 비용 절감이 가장 중요합니다. 워터젯은 탁월한 다용도성과 효율성을 제공하며 업계 판도를 바꾸는 새로운 기술로 부상했습니다. 그렇다면 워터젯의 잠재력을 최대한 활용하여 비용을 최소화하고 수익을 극대화할 수 있는 방법은 무엇일까요? 이 글에서는 노련한 기계 엔지니어가 워터젯 절단 기술을 마스터하는 데 도움이 되는 내부 팁과 전문가 인사이트를 공유합니다. 운영을 최적화하고 경쟁에서 앞서 나갈 수 있는 비결을 알아보세요.
엔지니어와 제조업체는 비용 절감 방법을 찾기 위해 끊임없이 노력하고 있으며, 워터젯은 이러한 목표를 달성하고 수익을 높이는 데 매우 효과적임이 입증되었습니다.
이 비용 절감 기술을 최대한 활용하려면 워터젯 절단 방법을 효과적으로 적용하여 비용을 최소화하고 수익을 극대화하는 방법을 깊이 이해하는 것이 중요합니다.
워터젯 절단 산업은 비용 절감 방안 측면에서 가장 다재다능하고 빠르게 성장하는 산업 중 하나로 꼽힙니다.
참조하세요:
또한 워터젯 커터는 전 세계에서 가장 효율적인 기계 중 하나입니다. 화염 절단, 플라즈마 가공, 레이저 가공, EDM 가공, 선삭, 밀링 및 평면 가공과 같은 다른 절단 기술을 능가합니다.
또한 워터젯 절단은 유해한 가스나 액체를 생성하지 않고 공작물 표면에 열을 발생시키지 않기 때문에 다목적이며 효율적이고 환경 친화적인 공정입니다.
이 절단 방법은 다른 단순한 공정으로는 달성할 수 없는 고유한 기능을 제공합니다. 예를 들어, 다음 항목에 구멍을 뚫을 수 있습니다. 티타늄 돌이나 유리에 복잡한 패턴을 만들 수 있습니다.
또한 워터젯 절단 공정은 재료를 절단할 때 열을 발생시키지 않기 때문에 정말 차갑습니다.
절단 과정에서 생성되는 초음속 물 화살은 절단 재료의 표면을 향할 때 탁월한 결과를 제공하며, 물과 모래의 조합은 절단력을 더욱 향상시킵니다.
'물의 칼'이라고도 불리는 워터젯 절단은 초고압의 물을 사용하여 정밀하게 절단하는 첨단 가공 기술입니다. 이 혁신적인 기술은 미국에서 시작되었으며, 처음에는 독특한 기능으로 인해 항공우주 및 군수 산업에서 활용되었습니다.
워터젯 절단의 근본적인 장점은 가공되는 재료의 물리적, 화학적 특성을 보존하는 냉간 절삭 특성에 있습니다. 이 특성은 열에 의한 변화에 민감한 소재에 특히 중요합니다.
기술 발전으로 워터젯 시스템의 절단 기능이 크게 향상되었습니다. 가닛이나 다이아몬드 입자와 같은 연마재를 고압 물 흐름에 도입함으로써 절단 속도와 재료 두께 용량이 크게 향상되었습니다. 이러한 발전으로 세라믹, 석재, 유리, 금속 및 복합 재료를 포함한 다양한 산업 분야에서 이 기술의 적용 범위가 확대되었습니다.
중국에서는 현재 최첨단 워터젯 시스템이 최대 420MPa의 압력에서 작동합니다. 선도적인 제조업체들은 정교한 3축 및 4축 워터젯 기계를 개발했으며, 5축 시스템은 이 기술의 최첨단을 대표하며 복잡한 절단 작업에서 향상된 정밀도와 유연성을 제공합니다.
워터젯 절단기는 컴퓨터 제어 시스템을 사용하여 재료 특성에 크게 구애받지 않고 고정밀 절단을 실현합니다. 이러한 다용도성과 상대적으로 낮은 운영 비용 및 높은 재료 수율이 결합되어 워터젯 절단은 현대 산업 제조에서 선호되는 방법으로 자리 잡았습니다.
워터젯 절단의 가장 중요한 장점 중 하나는 거의 모든 재료를 한 번의 작업으로 어떤 모양으로든 가공할 수 있다는 점입니다. 이러한 보편적인 적용성은 재료 제약에 의해 제한되는 다른 절단 방법과 차별화됩니다.
이 공정은 본질적으로 냉각 절단이며, 발생하는 최소한의 열은 고속 물 흐름에 의해 즉시 소멸됩니다. 이러한 특성과 함께 유해한 배출물이 없는 워터젯 커팅은 환경 친화적이고 안전한 제조 공정입니다. 또한 이 기술은 2차 가공이 필요 없는 경우가 많기 때문에 복잡한 형상을 구현하기 위한 유연하고 다양한 절단 기능을 제공합니다.
워터젯 기술의 하위 집합인 초고압(UHP) 워터 커팅은 다단계 강화 시스템을 통해 약 380MPa로 가압된 물을 사용합니다. 이 가압된 물은 정밀하게 설계된 루비 오리피스(일반적으로 직경 0.1~0.35mm)를 통해 초당 1,000미터에 가까운 속도로 강제로 분사됩니다. 이렇게 생성된 고에너지 물줄기는 다양한 재료와 두께를 정밀 가공할 수 있는 매우 효율적인 절삭 매체로 사용됩니다.
워터젯은 순수 워터젯과 연마 워터젯으로 나눌 수 있습니다.
순수 워터젯은 물로 절단하는 최초의 방법으로, 1970년대 중반부터 골판지 절단에 처음 상업적으로 적용되었습니다.
순수한 물 워터젯의 가장 큰 용도는 일회용 기저귀, 면지, 자동차 실내 장식을 자르는 것입니다.
면 종이와 일회용 기저귀의 경우, 워터젯 기술은 다른 기술에 비해 물 잔여물이 가장 적게 남습니다.
퓨어 워터 워터젯의 특징:
연마 워터젯은 순수 워터젯과 몇 가지 점에서 차이가 있습니다. 순수 워터젯에서는 초음속 물 흐름에 의해 재료가 침식되는 반면 연마 워터젯에서는 연마재 입자가 워터젯에 의해 가속되어 재료를 침식합니다.
연마 워터젯은 순수 워터젯보다 수백, 수천 배 더 강력하며 강철, 석재, 복합재, 세라믹과 같은 단단한 재료를 절단하는 데 사용됩니다.
표준 파라미터를 사용하면 연마성 워터젯은 알루미나 세라믹의 경도(흔히 AD 99.9라고 함)와 같거나 약간 초과하는 경도의 재료를 절단할 수 있습니다.
연마 워터젯의 특징
워터젯 절단은 몇 가지 주요 매개변수와 작동 특성에 따라 분류할 수 있습니다:
연마 콘텐츠:
시스템 규모:
압력 범위:
연마제 혼합 방법:
머신 구성:
안전 분류:
민감한 재료에 대한 압력 임계값:
최근 연구에 따르면 민감한 환경에서의 워터젯 절단에 대한 중요한 안전 임계값이 설정되었습니다:
실험적으로 약 237.6MPa의 중요한 안전 임계값이 결정되었습니다. 이 압력을 초과하면 순수한 물 분사도 특정 민감한 화학 물질에서 폭발을 일으킬 수 있습니다. 또한 연마성 워터젯에서 발생하는 운동 에너지와 충격력은 특수 화학 화합물에 불안정성을 유발할 수 있습니다.
따라서 200MPa 이상에서 작동하는 워터젯 시스템은 이러한 안전 문제가 적용되지 않는 기존 가공 및 제조 산업에서 주로 사용됩니다.
표1 일반적인 재료의 워터젯 절단 속도
| 재료 | 절단 두께 | 수압 MPa | 노즐 조리개 물 연마제 mm | 절단 속도 m/min |
|---|---|---|---|---|
| 탄소강 | 12 , 50 | 350 | 0.25/0.76 | 0.4, 0.1 |
| 스테인리스 스틸 | 13, 25 | 350 | 0.25/0.76 | 0.4, 0.2 |
| 티타늄 | 3.2, 6.4 | 350 | 0.25/0.76 | 0.8, 0.6 |
| 알루미늄 | 12 , 100 | 350 | 0.25/0.76 | 0.6, 0.12 |
| 연성 철 | 15 | 350 | 0.25/0.76 | 0.4 |
| 라미네이트 용지 | 12 | 309 | 0.25 | 3.5 |
| 석고 보드 | 15 | 294 | 0.15 | 20 |
| 고무 | 15 | 377 | 0.17 | 12 |
| 실리콘 고무 | 12 | 377 | 0.12 | 3 |
| 단단한 고무 | 19 | 309 | 0.25 | 6 |
| 패브릭 | 20 | 309 | 0.18 | 3 |
| 섬유 직물 | 20 | 377 | 0.20 | 6 |
| 가죽 | 1 | 343 | 0.15 | 30 |
노먼 프란츠 박사는 워터젯 기술의 아버지로 널리 알려져 있습니다.
그는 초고압(UHP) 워터젯을 최초로 연구한 사람입니다. 절단 도구30,000psi 이상으로 정의됩니다. 임업 엔지니어인 프란츠 박사는 큰 나무 줄기를 목재로 절단하는 새로운 방법을 찾고자 했습니다.
1950년, 그는 처음으로 무거운 추를 사용하여 물기둥에 압력을 가하고 작은 노즐을 통과시켜 나무와 기타 재료를 절단할 수 있는 짧은 고압 분사를 만들어냈습니다.
당시에는 고압의 연속적인 흐름을 얻는 데 어려움이 있었고 부품의 수명이 제한적이었지만, 그는 고속 수렴 수류가 엄청난 절삭력을 가지고 있다는 것을 보여주었습니다.
오늘날 목재 절단은 UHP 기술의 가장 중요하지 않은 응용 분야 중 하나이지만 프란츠 박사의 발견은 그가 상상할 수 있었던 것 이상으로 광범위하게 응용될 수 있습니다.
1979년 Flow Research의 모하메드 하시시 박사는 금속 및 기타 단단한 재료를 절단할 때 워터젯의 절단력을 향상시킬 수 있는 방법을 연구하기 시작했습니다.
모하메드 하시시 박사는 일반 워터젯에 가닛과 같은 연마재를 추가하여 거의 모든 재료를 절단할 수 있는 방법을 개발하여 연마성 워터젯의 아버지로 널리 알려져 있습니다.
1980년 연마성 워터젯은 금속, 유리, 콘크리트 절단에 처음 사용되었습니다. 1983년 세계 최초로 상용화된 연마성 워터젯 절단 시스템이 도입되어 처음에는 자동차 유리를 절단하는 데 사용되었습니다.
항공 우주 산업은 이 기술의 첫 번째 사용자 중 하나로, 다음과 같은 이점을 인식하고 있습니다. 스테인리스 스틸 절단티타늄, 군용 항공기에 사용되는 고강도 경량 복합재, 민간 항공기에 사용되는 탄소 섬유 복합재 등이 있습니다.
시간이 지남에 따라 연마 워터젯은 제작업체, 석재 및 타일, 유리, 제트 엔진, 건설, 원자력, 조선소 등 다양한 산업에서 채택하고 있습니다.
워터 커팅의 발전은 크게 여러 단계로 나눌 수 있습니다: 주로 저압 워터젯 채굴 및 송유관 청소에 사용되는 1960년대 초 탐사 및 실험 단계; 고압 펌프, 부스터 및 고압 파이프 피팅을 개발하고 고압 워터젯 청소 기술을 홍보하는 데 중점을 둔 기본 장비 개발 및 연구 단계의 1960년대 후반에서 1970년대 초반 단계; 1970년대 초부터 1980년대 초까지의 산업 실험 및 응용 단계로, 수많은 고압 워터젯 탄광 기계, 절단기 및 청소 기계의 출현을 특징으로 하며, 1980년대 이후 고압 워터젯의 급속한 발전으로 고압 워터젯 연구가 더욱 발전하고 연마 워터젯, 연마 제트, 캐비테이션 제트 및 자기 여기 충격 제트와 같은 새로운 기술이 빠르게 발전하는 것을 특징으로 합니다.
워터젯 절단 기술은 글로벌 연구 및 산업 응용 분야에 힘입어 상당한 발전을 이루며 정교하고 다양한 제조 공정으로 진화해 왔습니다. 미국, 독일, 일본, 스위스 등 기술 선도국과 한국, 인도 등 신흥 혁신 국가를 포함한 40여 개국이 이 분야의 발전에 적극적으로 기여하고 있습니다.
이 기술의 다용도성 덕분에 다양한 산업 분야에서 폭넓게 채택되고 있습니다. 산업용 절삭 분야에서 워터젯은 연질 플라스틱부터 경화강까지 다양한 소재의 정밀 가공에 탁월하며, 열 영향 영역을 최소화하고 복잡한 형상을 절단할 수 있는 등의 이점을 제공합니다. 광업 및 건설 부문에서는 고압 워터젯을 활용하여 특히 전통적인 방법으로는 효율성이 떨어지는 단단한 암석 지층에서 효율적인 굴착 및 시추 작업을 수행합니다.
재료 가공에서 워터젯 시스템은 표면 준비, 세척 및 디버링에 사용되어 기존 방식에 대한 비마모성 대안을 제공합니다. 이 기술은 복합 재료 절단을 위한 항공 우주, 트림 및 내장 부품 제작을 위한 자동차 제조, 농산물 및 제빵 제품의 위생적인 절단을 위한 식품 가공과 같은 전문 분야에서도 활용되고 있습니다.
최근의 혁신은 절삭 정밀도 향상, 운영 효율성 증대, 가공 가능한 재료의 범위 확대에 중점을 두고 있습니다. 이러한 개발에는 다음이 포함됩니다:
연구가 계속됨에 따라 워터젯 기술은 다른 절단 방법과 비교할 수 없는 정밀성, 다용도성, 환경 지속 가능성을 결합하여 첨단 제조 공정에서 점점 더 중요한 역할을 할 준비가 되어 있습니다.
워터젯 커터의 기본 원리는 개념의 단순함과 실행의 복잡성을 결합한 것입니다. 이 프로세스는 특수 설계된 고압 튜브 시스템에 물을 분사하는 고압 인텐시파이어 펌프로 시작하여 정밀하게 설계된 절단 노즐에서 마무리됩니다.
기본적인 설명은 간단해 보이지만 커터의 설계는 엔지니어링의 복잡성과 정밀성의 경이로움 그 자체입니다. 최신 시스템은 최대 94,000 PSI(6,480bar)의 압력을 생성할 수 있으며, 산업용 애플리케이션에서는 60,000 PSI(4,137bar)가 일반적입니다. 이러한 극한의 압력은 초기 펌프 압력을 증폭하는 일련의 유압 증압기를 통해 달성됩니다.
시스템 무결성의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않습니다. 미세한 누출도 극한의 속도로 인해 치명적인 침식 손상으로 이어질 수 있습니다. 따라서 제조업체와 엔지니어는 씰링에 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)과 같은 특수 소재를 사용하고 오토프레타지 등 첨단 조립 기술을 활용하여 시스템 신뢰성을 보장합니다. 최종 사용자에게는 작동이 간단해 보일 수 있지만, 기본 기술에는 고압 유체 역학 및 재료 과학에 대한 엄격한 전문 지식이 필요합니다.
연마 워터젯 절단은 1982년 상업적으로 도입된 이래 1970년 초에 프로토타입 시스템이 등장한 이래 다양한 산업에 혁신을 가져왔습니다. 이 기술은 절단 정밀도가 지속적으로 발전하여 최신 시스템은 ±0.025mm의 위치 정확도와 ±0.015mm의 반복성을 달성했습니다.
최첨단 연마 커터는 94,000PSI(6,480bar)의 압력에서 작동하여 직경 0.1mm의 작은 사파이어, 루비 또는 다이아몬드 오리피스를 통해 물을 밀어낼 수 있습니다. 그 결과 음속의 3배에 가까운 최대 1,000m/s의 워터젯 속도를 낼 수 있습니다.
일반적으로 메쉬 크기가 50~220인 가넷 연마 입자가 통합되어 고속 워터젯이 강력한 침식 공구로 변모합니다. 연마제가 포함된 이 스트림은 약 300~400m/s의 속도로 초점 튜브를 빠져나가 매우 효율적인 연삭 및 절단 프로세스를 생성합니다. 물은 추진제와 냉각수 역할을 동시에 수행하여 연마 입자를 공작물에 정밀하게 전달하고 열 절단 방식에서 흔히 발생하는 열 영향 구역을 방지합니다.
기본적으로 워터젯 커터는 원동기(일반적으로 전기 모터 또는 유압 장치)의 기계적 에너지를 특수 증압기 또는 고압 펌프를 통해 압력 에너지로 변환하는 방식으로 작동합니다. 이 프로세스는 산업용 애플리케이션을 위해 60,000~90,000psi(414~620MPa) 범위의 수압을 생성할 수 있습니다.
그런 다음 가압된 물은 일반적으로 사파이어, 루비 또는 다이아몬드로 만들어진 직경 0.1~0.4mm의 보석 오리피스를 통과합니다. 이 오리피스는 압력 에너지를 운동 에너지로 변환하여 최대 1,000m/s(3,280ft/s)에 이르는 초음속의 물줄기를 생성합니다. 이렇게 생성된 고속 제트는 다양한 재료를 정밀하게 절단할 수 있는 놀라운 절삭력을 자랑합니다.
특히 더 단단한 재료의 절삭 성능을 향상시키기 위해 연마 입자(일반적으로 가넷)를 오리피스 후 물줄기에 주입하여 연마 워터 제트를 생성할 수 있습니다. 이 연마제가 포함된 물줄기는 절단 성능을 크게 향상시켜 금속, 복합재, 세라믹과 같은 재료를 효율적으로 가공할 수 있습니다.
초고압(UHP) 물 절단은 절단 매체에 따라 순수 워터젯 절단과 연마성 워터젯 절단이라는 두 가지 주요 형태로 분류할 수 있습니다. 순수 워터젯 절단은 고압의 물만 사용하며 일반적으로 0.1~1.1mm 범위의 커프 폭을 생성합니다. 이 방법은 고무, 폼 및 특정 플라스틱과 같은 부드러운 소재에 이상적입니다. 반면 연마성 워터젯 절단은 연마 입자(일반적으로 가넷)를 물줄기에 통합하여 금속 및 세라믹과 같은 단단한 재료를 절단할 수 있습니다. 연마제 절단의 커프 폭은 일반적으로 연마 입자를 추가하기 때문에 0.8~1.8mm로 더 넓습니다.
UHP 물 절단 시스템의 구조적 구성은 응용 분야 요구 사항과 공작물 형상에 따라 다릅니다. 일반적인 구성은 다음과 같습니다:
갠트리와 캔틸레버 구조 모두 일반적으로 2~3개의 CNC 제어 축이 통합되어 있어 평판과 판재를 높은 정확도로 절단하는 데 적합합니다.
보다 복잡한 3차원 절단 작업에는 로봇 워터젯 시스템이 사용됩니다. 이러한 시스템에는 5~6개의 CNC 제어 축이 있는 관절형 로봇 팔이 있어 복잡한 절단 경로와 다중 평면 작업을 수행할 수 있습니다. 이 구성은 대시보드, 도어 패널, 헤드라이너와 같은 내부 부품을 절단하고 트리밍하는 데 광범위하게 사용되는 자동차 산업에서 특히 유리합니다. 로봇 워터젯 시스템의 유연성 덕분에 복잡한 윤곽과 다양한 재료 두께를 탐색할 수 있어 현대 자동차 제조 공정에서 없어서는 안 될 필수 요소입니다.
폭넓은 소재 활용성: 워터젯 절단기는 금속(예: 강철, 알루미늄, 티타늄), 석재(대리석, 화강암), 복합재, 세라믹, 심지어 플라스틱과 폼과 같은 열에 민감한 재료까지 다양한 재료를 가공하는 데 탁월합니다.
뛰어난 절단 품질: 이 공정은 테이퍼를 최소화하고 열 영향 영역(HAZ)이 거의 없는 매우 매끄러운 커프를 생성합니다. 그 결과 2차 마감 처리가 필요 없는 깔끔한 모서리가 만들어져 전체 생산 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
콜드 커팅 기술: 연마 입자와 혼합된 고압의 물을 사용하는 이 방식은 절단 시 미미한 열을 발생시킵니다. 따라서 열에 민감한 소재에 이상적이며 열에 의한 왜곡을 제거하여 소재 고유의 특성을 보존합니다.
친환경적인 운영: 이 공정은 주로 물과 천연 연마제(일반적으로 가닛)를 사용합니다. 환경을 생각하는 제조 관행에 따라 독성 가스나 유해한 부산물을 생성하지 않습니다. 사용한 연마재는 대부분 재활용하거나 안전하게 폐기할 수 있습니다.
다용도 툴링: 단일 노즐은 공구 교환 없이 다양한 재료와 복잡한 형상을 처리할 수 있어 설정 시간이 크게 단축되고 운영 유연성이 향상됩니다. 이러한 다용도성은 다양한 절삭 요구 사항이 있는 작업장에 특히 유용합니다.
버 형성 최소화: 연마성 워터젯 절단 공정은 최소한의 버를 생성하여 2차 디버링 작업의 필요성을 줄이거나 제거합니다. 이 기능은 정밀 부품과 복잡한 디자인에 특히 유용합니다.
간소화된 프로그래밍: 최신 워터젯 시스템은 CAD/CAM 소프트웨어와 원활하게 통합되어 DXF, IGES 및 기타 표준 파일 형식의 직접 가져오기를 지원합니다. 고급 네스팅 알고리즘은 재료 활용을 최적화하여 낭비를 최소화하고 비용을 절감합니다.
사용자 친화적인 작동: 정교한 제어 시스템이 절단 공정의 여러 측면을 자동화합니다. 작업자는 재료 유형과 두께만 입력하면 기계의 소프트웨어가 압력, 연마재 유량, 절단 속도와 같은 절단 파라미터를 최적화하여 최적의 성능을 발휘합니다.
통합 기능: 워터젯 절단 기술을 드릴링이나 밀링과 같은 다른 제조 공정과 통합하여 다기능 작업 셀을 만들 수 있습니다. 이러한 통합은 생산 효율성을 높이고 제조 역량을 확장합니다.
최소한의 공작물 고정: 절단 공정은 공작물에 최소한의 횡력을 가하므로 간단한 고정 방법이 가능합니다. 따라서 설정 복잡성과 시간이 줄어들어 특히 크거나 불규칙한 모양의 부품에 유용합니다.
장점:
단점:
고압 워터젯 가공
고압 워터젯 가공은 고압의 물 또는 연마제가 함유된 물줄기를 사용하여 재료를 절단, 성형 또는 세척하는 첨단 비전통적 가공 공정입니다. 이 공정은 고압 인텐시파이어 펌프로 물 또는 특수 절삭유를 일반적으로 30,000~90,000psi(2,000~6,200bar) 사이의 극한 수준까지 가압하는 것으로 시작됩니다.
이렇게 가압된 액체는 액체 저장 어큐뮬레이터를 통과하여 일정한 압력과 흐름을 유지합니다. 마지막으로, 일반적으로 사파이어, 루비 또는 다이아몬드로 만들어진 직경 0.1~0.4mm의 보석 노즐의 작은 구멍을 통과하게 됩니다. 이렇게 하면 초속 300~900미터(980~2,950ft/s) 속도의 초음속 제트 기류가 생성됩니다.
이 고속 제트가 공작물 표면에 충격을 가하면 재료의 강도를 초과하는 국소 응력이 발생하여 미세 침식 및 정밀한 재료 제거가 이루어집니다. 더 단단한 재료의 경우 가닛이나 산화 알루미늄과 같은 연마 입자를 물줄기에 포함시켜 절단 기능을 크게 향상시킬 수 있습니다.
이 다목적 기술은 열 영향 영역이 없고, 다양한 재료를 절단할 수 있으며, 재료 낭비를 최소화하는 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 특히 복합재, 세라믹, 열에 민감한 합금과 같이 기존 가공 방법으로는 어려움을 겪을 수 있는 재료의 복잡한 형상을 절단하는 데 효과적입니다.
연마제 분사 가공
연마제 분사 가공(AJM)은 운반 가스에 부유하는 고속 연마 입자 흐름을 활용하여 공작물 표면에서 재료를 제거하는 비전통적 가공 공정입니다. 이 정밀 기술은 일반적으로 10~50미크론 크기의 마이크로 연마재를 사용하며, 2~10bar의 압력에서 압축 공기 또는 불활성 가스에 의해 추진됩니다.
AJM의 재료 제거 메커니즘은 주로 연마 입자가 150-300m/s의 속도로 공작물 표면에 충돌할 때 운동 에너지 전달과 미세 절삭 작용을 통해 이루어집니다. 그 결과 마이크로 수준에서 침식 및 표면 변형이 제어되어 연성 및 취성 소재를 최소한의 열 효과로 가공할 수 있습니다.
AJM 성능에 영향을 미치는 주요 공정 파라미터에는 연마재 유형(예: 산화 알루미늄, 탄화 규소), 입자 크기 및 모양, 운반 가스 압력, 노즐 형상(일반적으로 직경 0.2-0.8mm), 스탠드오프 거리 등이 있습니다. 이러한 변수를 정밀하게 제어함으로써 AJM은 0.15~20mm³/min의 재료 제거 속도와 0.5~1.25μm Ra의 미세한 표면 마감을 달성할 수 있으므로 특히 고정밀 및 섬세한 재료 처리가 필요한 응용 분야에 적합합니다.
연마 워터젯 가공
연마 워터젯 가공(AWJ)은 연마 입자와 혼합된 고압 물의 힘을 활용하는 고급 재료 제거 공정입니다. 이 기술은 특수 고압 펌프를 사용하여 일반적으로 30,000~90,000psi(207~620MPa) 범위의 수압을 생성합니다.
이 공정은 고속 워터 제트를 생성하는 것으로 시작하여 정밀한 혼합 챔버에서 미세 연마 입자(일반적으로 가넷 또는 알루미늄 산화물)와 결합합니다. 그런 다음 이 혼합물은 일반적으로 직경 0.010~0.020인치(0.25~0.50mm)의 좁은 구멍을 통해 집중되어 다양한 재료를 절단할 수 있는 고에너지 연마 워터젯을 생성합니다.
AWJ는 현대 제조업에서 다양한 이점을 제공합니다:
최신 AWJ 시스템에는 정밀하고 반복 가능한 절단을 위해 컴퓨터 수치 제어(CNC)가 통합되어 있는 경우가 많습니다. 이 기술은 계속 발전하고 있으며 최근 다음과 같은 발전이 이루어지고 있습니다:
AWJ는 많은 분야에서 탁월한 성능을 발휘하지만, 특정 소재의 수분 흡수 가능성 및 적절한 폐수 관리의 필요성 등의 한계를 고려하는 것이 중요합니다.
전반적으로 AWJ는 연마제의 연마력과 고압 워터젯의 정밀성을 결합한 강력하고 다재다능한 가공 기술로, 현대 제조 공정에서 고유한 기능을 제공합니다.
워터젯은 다음 세 가지 유형으로 나눌 수 있습니다:
제트 기법의 분류:
펄스 제트는 총알과 비슷한 모양을 가진 간헐적인 제트입니다. 다음과 같은 방법을 통해 생성됩니다:
(1) 대포에서 저장된 에너지나 물이 갑자기 방출되는 것을 말합니다;
(2) 압력 압출;
(3) "워터 해머"라고도 하는 유량 조절.
이러한 유형의 제트의 성능은 워터해머 형성 빈도, 워터해머 길이 대 제트 직경의 비율, 워터해머의 에너지 등의 요인에 따라 달라집니다.
캐비테이션 제트는 제트 내에서 자연적으로 캐비테이션 버블을 생성하는 일종의 연속 제트입니다. 이 과정은 유체 내 기포인 캐비테이션 핵의 성장을 자극하며, 이 기포는 제트로 빨려 들어가 청소 또는 절단되는 표면과 충돌하여 파손될 때까지 계속 성장합니다.
파쇄 과정에서 대부분의 재료의 인장 강도를 초과하는 응력과 함께 매우 높은 압력과 미세 분사가 발생합니다.
연마식 워터젯 가공은 현대 제조 분야에서 많은 이점을 제공합니다:
초고압 워터젯 절단은 다양한 재료를 탁월한 정밀도와 최소한의 열 영향 영역으로 절단할 수 있는 다재다능하고 강력한 제조 공정입니다. 이 기술은 효과적으로 절단할 수 있습니다:
절단 기능은 특정 재료의 특성과 워터젯 시스템의 압력(일반적으로 60,000~94,000 PSI 범위)에 따라 최대 200mm 두께의 재료까지 확장할 수 있습니다. 가닛과 같은 미세 연마 입자를 물줄기에 통합하는 연마성 워터젯 절단은 더 단단한 재료의 절단력을 더욱 향상시킵니다.
이 기술의 다목적성은 열 영향 영역을 제거하고 열에 민감한 소재를 절단할 수 있는 냉간 절단 공정에서 비롯됩니다. 또한 좁은 커프 폭과 고정밀 제어로 복잡한 절단과 중첩된 부품이 가능하므로 다양한 산업 응용 분야에서 재료 활용도를 극대화할 수 있습니다.
워터젯 커팅은 최첨단 기술로서 제조 환경을 크게 변화시켜 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 열을 발생시키지 않고 절단할 수 있어 열 효과에 민감한 소재에 특히 유용합니다.
최근 기술 발전으로 워터젯 커팅의 초기 한계가 많이 해결되어 기존 커팅 방법을 보완하는 공정으로 자리 잡았습니다. 이 기술의 다용도성 덕분에 항공우주, 자동차, 기계 제조, 건설, 의료 장비, 발전, 화학 처리, 스포츠 용품 생산, 방위 및 첨단 재료 연구와 같은 분야에서 널리 채택되고 있습니다.
항공우주 분야에서 고압 워터젯 절단은 재료 무결성을 손상시키거나 열 응력을 유발하지 않으면서 탄소 섬유 복합재 및 특수 플라스틱을 비롯한 다양한 합금과 첨단 소재를 가공하는 데 탁월합니다. 자동차 산업에서는 차체 패널부터 복잡한 도어 프레임 부품에 이르기까지 광범위한 비금속 및 복합 재료를 절단하는 데 이 기술을 활용합니다.
방위 산업에서는 무기를 안전하게 해체하고 민감하거나 인화성 또는 폭발성 물질을 정밀하게 절단하기 위해 워터젯 절단을 활용합니다. 기계 제조 및 건설 분야에서 이 기술은 금속, 비금속, 깨지기 쉬운 플라스틱, 세라믹 및 철근 콘크리트 같은 전통적으로 까다로운 재료를 높은 정밀도로 효율적으로 절단하는 탁월한 다용도성을 보여줍니다.
워터젯 기술은 종이와 고무 가공에 특화된 응용 분야를 찾았습니다. 연마 입자와 결합하면 석재 절단, 세라믹 성형, 항공우주 부품 제조 및 고급 금속 제조에 강력한 도구가 됩니다.
특히 자동차 산업에서는 제조 공정의 효율성과 정확성 향상에 대한 요구로 인해 워터젯 기술 도입이 급증하고 있습니다. 이 분야에서 주목할 만한 혁신은 워터젯 시스템과 로봇 팔의 통합입니다. 이 조합은 고압 물줄기가 로봇의 구조에 매끄럽게 통합되어 복잡한 3차원 절단 작업을 가능하게 합니다. 로봇 팔과 손목 메커니즘을 통해 워터젯 노즐이 정밀한 선형 또는 호 궤적으로 움직일 수 있어 자동차 내부 부품의 복잡한 3D 가공이 용이합니다.
워터젯 기술과 로봇 공학 간의 이러한 시너지는 제조 공정의 지속적인 진화를 보여주며 산업용 절단 응용 분야에서 정밀도, 효율성 및 재료 다양성 측면에서 가능한 것의 한계를 뛰어넘고 있습니다.
산업용 청소에 워터젯 기술 적용
산업용 청소에 워터젯 기술 적용
워터젯 기술은 여러 산업 분야에서 다양하게 적용되어 세척 및 표면 처리 공정에서 다목적성과 효율성을 입증하고 있습니다. 자동차 분야에서는 스프레이 부스를 청소하는 데 사용되어 페인트 도장을 위한 오염 물질 없는 환경을 보장합니다. 석유화학 산업에서는 열교환기 튜브를 청소하여 최적의 열 효율을 유지하는 데 이 기술을 활용합니다. 항공 산업에서는 항공기 활주로에서 고무를 제거하여 안전성과 견인력을 향상시키는 데 워터젯을 사용합니다. 산업 분야에서는 녹 제거 및 부식 방지 엔지니어링을 위한 표면 처리를 통해 보호 코팅을 위한 깨끗한 기판을 제공합니다. 항공우주 산업에서는 엔진 부품 세척에 워터젯 기술을 활용하여 정밀도와 신뢰성을 보장합니다. 원자력 발전소에서는 방사능 오염 제거 공정에서 중요한 역할을 합니다.
최근 식품 보존에 초고압 워터젯 기술이 도입되는 사례가 늘고 있습니다. 식품 업계에서 초고압 처리(HPP) 장비로 인정받으며 영양가와 맛을 유지하면서 유통기한을 연장하는 Avure Technologies(구 Hemell Company)와 같은 기업이 주목할 만한 성공을 거두었습니다.
워터젯 기술의 다목적성은 자동차 디테일링, 고층 건물의 외관 청소, 공항 활주로 유지보수, 산업용 열교환기 청소 등 다양한 청소 분야로 확장되고 있습니다. 이로 인해 다양한 사용자 요구 사항을 충족하기 위한 전문 청소 장비가 개발되고 전용 서비스 제공업체가 등장했습니다.
미주리 과학 기술 대학교(구 미주리 롤라 대학교)에서 수행한 연구에서는 고압 워터젯 기술의 청소 이상의 잠재력을 강조했습니다. 이 기술은 석탄을 효과적으로 미세 입자로 줄여 청소하고 더 깨끗하게 연소하는 연료를 생산할 수 있는 석탄 선광 분야에서 가능성을 보여주었습니다. 또한 이 기술은 제지 산업에서 유압 펄프화에도 적용되어 기존의 화학 펄프화 방법에 대한 환경 친화적인 대안을 제공합니다.
2002년, 플로우 인터내셔널은 최대 87,000psi(600MPa)의 압력에 도달할 수 있는 초고압 워터젯 장비를 도입하여 획기적인 발전을 이루었습니다. 이 혁신은 특히 절단 및 표면 처리 분야에서 기존 방식에 비해 생산 효율성을 획기적으로 개선하고 운영 비용을 약 40% 절감했습니다.
워터젯 기술이 계속 발전함에 따라 다양한 산업 분야에서 워터젯의 성장과 적용 가능성은 여전히 상당합니다. 지속적인 연구 개발 노력은 에너지 효율과 정밀 제어를 개선하고, 이 다목적 기술을 사용하여 효과적으로 처리할 수 있는 재료와 표면의 범위를 확장하는 데 초점을 맞추고 있습니다.
워터젯 가공은 여러 가지 상호 연결된 요소의 영향을 받는 다양하고 정밀한 절삭 공정입니다. 절단 성능을 최적화하고 원하는 결과를 얻으려면 이러한 요소를 이해하는 것이 중요합니다. 주요 요인은 다음과 같이 분류할 수 있습니다:
시스템 매개변수:
노즐 구조 파라미터:
연마 매개변수:
믹싱 모드:
연마제의 혼합 상태:
절단 매개변수:
머티리얼 파라미터:
워터젯 절단은 0.1mm~0.25mm(0.004″~0.010″)의 일반적인 절단 정확도로 탁월한 정밀도를 제공합니다. 이러한 높은 수준의 정확도는 몇 가지 주요 요소의 영향을 받습니다:
1. 기계 정밀도: 최신 워터젯 절단 시스템은 고급 CNC 제어 및 고정밀 리니어 모션 시스템을 통해 0.01mm~0.03mm(0.0004″~0.0012″)의 위치 정확도를 자랑합니다.
2. 공작물 특성:
3. 절단 매개변수:
4. 노즐 상태: 일관된 정확도를 유지하려면 초점 튜브와 오리피스를 정기적으로 유지보수하고 교체해야 합니다.
5. 소프트웨어 보정: 고급 워터젯 시스템은 소프트웨어 알고리즘을 활용하여 시차 및 테이퍼를 보정함으로써 특히 복잡한 형상에서 정확도를 더욱 향상시킵니다.
워터젯 절단은 최적화된 설정과 고도로 제어된 조건을 갖춘 특정 애플리케이션에서 더 엄격한 허용 오차(최대 ±0.025mm 또는 ±0.001″)를 달성할 수 있다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 그러나 대부분의 산업 분야에서 0.1mm ~ 0.25mm 범위는 정밀도와 생산 효율성의 균형을 맞추는 실용적이고 달성 가능한 정확도를 나타냅니다.
연마성 워터젯 절단의 경우, 일반적인 커프 폭은 0.8~1.2mm(0.031~0.047인치) 범위입니다. 이 차이는 여러 요인에 따라 달라집니다:
부드러운 소재에 사용되는 순수 워터젯 절단(연마제 없음)의 경우 커프 폭은 일반적으로 0.1~0.3mm(0.004~0.012인치) 범위로 훨씬 더 좁습니다.
최신 워터젯 커팅 시스템은 CNC 프로그래밍에서 커프 보정을 허용하는 경우가 많으므로 커프 변화에도 불구하고 높은 정밀도를 보장한다는 점에 유의해야 합니다.
워터젯 절단은 절단 매개변수와 기계 성능에 따라 다양한 베벨 유형을 생성할 수 있습니다. 워터젯 절단으로 생성되는 베벨에 대한 최적화된 설명은 다음과 같습니다:
워터젯 절단으로 생성되는 베벨은 주로 절단 속도, 연마재 유량, 노즐과 공작물 사이의 이격 거리에 의해 영향을 받습니다. 일반적으로 워터젯 절단은 절단면의 위쪽이 아래쪽보다 넓고 약간 테이퍼진 가장자리를 만듭니다. 이 테이퍼 각도는 대부분의 경우 0.5°에서 2°까지 다양합니다.
베벨 모서리의 품질은 실제로 절단 속도에 따라 크게 달라집니다. 최적의 절단 속도에서 워터젯 절단은 약 3.2μm(0.000126인치) 이상의 표면 거칠기(Ra)로 우수한 가장자리 품질을 얻을 수 있습니다. 좋은 품질의 절단을 위한 치수 정확도는 일반적으로 약 ±0.1mm(0.004인치)이며, 이는 앞서 언급한 0.1mm 수치와 일치합니다.
생성할 수 있는 다양한 베벨 유형에는 다음이 포함됩니다:
다축 헤드가 장착된 고급 워터젯 절단 시스템은 복잡한 베벨과 복합 각도까지 생성할 수 있어 용접 준비와 복잡한 부품 형상을 구현할 수 있습니다.
재료 두께, 경도 및 구성도 최종 베벨 품질과 달성 가능한 허용 오차를 결정하는 데 중요한 역할을 한다는 점에 주목할 필요가 있습니다.
워터젯 커팅은 다양한 연마재를 사용하여 커팅 기능을 향상시킵니다. 가장 일반적으로 사용되는 연마재에는 가닛, 산화알루미늄, 탄화규소, 감람석 모래 등이 있습니다. 특수한 용도의 경우 다이아몬드 입자를 사용할 수도 있습니다. 연마재 선택은 절단할 재료, 원하는 절단 품질, 비용 고려 사항 등의 요인에 따라 달라집니다.
연마재의 입자 크기는 일반적으로 50~220메시이며, 범용 절삭에는 80메시가 가장 널리 사용됩니다. 입자 크기는 절단 속도와 표면 마감 품질 모두에 영향을 미칩니다. 입자가 굵을수록(예: 50-80 메쉬) 절단 속도는 빨라지지만 표면 마감이 거칠어질 수 있으며, 입자가 미세할수록(예: 120-220 메쉬) 절단 속도가 느려지는 대신 표면 품질이 향상됩니다.
모스 척도로 측정되는 연마재의 경도는 절삭 효과를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 일반적으로 경도가 높은 연마재는 특히 더 단단한 재료에서 우수한 절단 성능을 발휘합니다. 예를 들어, 가닛(모스 경도 7.5-8.0)은 경도, 절삭 효율, 비용 효율성의 균형이 뛰어나 널리 사용됩니다. 알루미늄 산화물(모스 경도 9)은 절단 속도가 빠르지만 비용이 더 높기 때문에 특수 용도에 적합합니다.
일반적으로 더 단단한 연마재는 더 나은 절단 성능을 제공하지만 워터젯 절단 시스템의 포커싱 튜브와 혼합 챔버의 마모를 증가시킬 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 연마재와 입자 크기는 특정 절단 요건, 재료 특성 및 전반적인 공정 경제성에 따라 최적화해야 합니다.
워터젯 커팅은 다양한 재료에 적합한 다목적 정밀 커팅 방법입니다. 워터젯 커팅에 특히 적합한 재료 유형은 다음과 같습니다:
워터젯 절단은 열 영향 영역, 열 변형 및 기계적 응력을 제거하는 냉간 절단 공정으로 인해 이러한 재료에 이상적입니다. 열에 민감한 소재를 절단할 수 있고 유독 가스가 발생하지 않으며 엄격한 공차와 매끄러운 가장자리 품질을 얻을 수 있습니다. 스택 재료를 절단하고 복잡한 형상을 만들 수 있어 최신 제조 공정에서 활용도가 더욱 향상됩니다.
연마성 워터젯 절단은 공작물 모서리 절단 및 드릴링에 있어 기존 밀링 공정에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 이 고압 물과 연마재 혼합물 절단 방식은 블라인드 홀 생성, 드릴링 및 나사 가공과 같은 기존 가공 기술에 비해 훨씬 빠르고, 설정이 효율적이며, 비용 효율적입니다.
워터젯의 가장 큰 장점은 한 번에 공작물을 절단할 수 있다는 점입니다. 연삭 공정을 통해 소재를 제거하는 밀링과 달리 워터젯 절단은 과도한 열이나 기계적 응력을 발생시키지 않고 침식을 사용하여 소재를 정밀하게 분리합니다. 따라서 가공 시간이 단축되고 공구 마모가 줄어듭니다.
정밀 부품의 경우 연마성 워터젯 절단은 한 번의 작업으로 그물 모양에 가까운 부품을 생산하는 데 탁월합니다. 절단 중 열 영향이 없기 때문에 재료의 기계적 특성이 보존되고 열 영향 구역이 제거되어 엄격한 공차와 재료 무결성을 유지하는 데 매우 중요합니다. 이는 열에 민감한 소재나 후속 열처리 공정이 필요한 경우에 특히 유용합니다.
흔히 간과되는 워터젯 절단의 장점은 재료 효율성입니다. 발생하는 폐기물은 일반적으로 밀링으로 생성되는 미세한 칩이 아니라 재사용 가능한 큰 조각의 형태입니다. 이 폐기물은 더 높은 가치를 유지하고 더 쉽게 재활용할 수 있어 지속 가능성을 개선하고 잠재적으로 재료 비용을 상쇄할 수 있습니다.
또한 워터젯 절단은 재료 두께와 구성 측면에서 더 큰 유연성을 제공하므로 공구 교체 없이 다양한 금속, 복합재 및 기타 재료를 가공할 수 있습니다. 이러한 다목적성과 정밀성 및 효율성 덕분에 연마성 워터젯 절단은 가장자리 품질과 재료 특성이 중요한 많은 제조 응용 분야에서 점점 더 선호되는 방법입니다.
워터젯 절단과 화염 절단은 각각 특정 용도에 적합한 금속 제조에 뚜렷한 이점을 제공합니다. 열 공정인 화염 절단은 공작물에 열 영향 구역(HAZ)을 생성하여 절단면 근처의 재료 특성을 변경할 수 있습니다. 이와는 대조적으로 냉간 절단 기술인 연마 워터젯 절단은 열 왜곡을 최소화하면서 우수한 표면 마감을 만들어냅니다. 이 냉간 절단 공정은 절단 모서리에 슬래그 형성을 제거하여 2차 마감 작업의 필요성을 크게 줄이거나 없앱니다.
워터젯 절단은 기계의 사양과 절단 속도에 의해서만 제한되는 거의 무제한의 두께의 재료를 가공할 수 있는 뛰어난 다목적성입니다. 이 방법을 사용하면 좁은 커프가 있는 복잡한 절단 패턴이 가능하므로 재료 활용도를 최적화하고 낭비를 줄일 수 있습니다. 워터젯 절단의 정밀도 덕분에 부품을 더 촘촘하게 배열할 수 있어 원자재를 더욱 절약하고 생산 비용을 낮출 수 있습니다.
또한 워터젯 절단은 열에 민감한 합금이나 열 절단 방식이 구조적 특성을 손상시킬 수 있는 복합재에 매우 중요한 재료 무결성을 유지합니다. 복잡한 형상을 높은 정확도로 절단할 수 있어 항공 우주부터 의료 기기 제조까지 다양한 산업에서 프로토타입 개발 및 소량 생산에 특히 유용합니다.
다음에 필요한 투자 레이저 커팅 장비는 상당합니다. 현재는 주로 얇은 강판을 절단하는 데 사용되며 일부 비금속 재료. 절단 속도가 빠르고 정밀도가 높지만 절단 이음새에 아크 마크와 열 효과가 발생합니다.
또한 알루미늄, 구리, 기타 비철금속 및 합금과 같은 일부 재료, 특히 두꺼운 금속판 절단 시에는 절단 표면이 이상적이지 않거나 절단이 불가능할 수 있으므로 레이저 절단이 적합하지 않을 수 있습니다.
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현재 고출력 레이저 발생기에 대한 연구는 다음과 같은 문제를 해결하는 것을 목표로 합니다. 두꺼운 강철 절단 플레이트가 있지만 장비 투자, 유지보수 및 운영 비용이 상당합니다.
반면 물 절단은 낮은 투자 비용, 경제적인 운영, 다양한 재료 절단 능력, 높은 효율성, 간편한 운영 및 유지보수 등 여러 가지 장점이 있습니다.
워터젯은 몇 가지 측면에서 레이저보다 낫습니다.
워터젯 커팅은 절단 두께에 제한이 없습니다.
황동이나 알루미늄과 같은 반사성 소재도 효과적으로 절단할 수 있습니다.
열 에너지가 필요하지 않으므로 화상을 입거나 열 효과를 낼 위험이 없습니다.
절단 속도를 조정할 때는 가스, 초점 또는 기타 구성 요소를 수정할 필요 없이 절단 속도만 변경하면 됩니다.
여러 개의 커팅 헤드를 설치하여 생산 능력을 쉽게 늘릴 수 있습니다.
레이저 장비의 유지보수는 더 전문적이고 까다로운 반면, 워터젯 장비는 상대적으로 유지보수가 덜 필요합니다.
또한 전체 워터젯 장비 세트를 구입하는 것이 레이저 커팅 장비 비용의 1/2~1/3에 불과할 정도로 비용이 저렴합니다.
플라즈마 절단은 많은 응용 분야에서 효율적이지만 주목할 만한 한계가 있습니다. 상당한 열 영향 영역(HAZ)이 발생하여 재료에 열 변형과 야금학적 변화를 일으킬 수 있습니다. 플라즈마 절단은 일반적으로 다른 방법에 비해 정밀도가 낮으며, 일반적으로 재료 두께에 따라 ±0.5mm ~ ±1.5mm의 허용 오차를 달성합니다. 절단 표면은 종종 특징적인 테이퍼와 드로스 형성을 나타내므로 중요한 애플리케이션의 경우 2차 작업이 필요할 수 있습니다.
이와 대조적으로 워터젯 절단은 고압의 물(종종 연마 입자와 혼합)을 사용하여 재료를 침식하는 냉간 절단 공정입니다. 이 방법은 몇 가지 장점이 있습니다:
워터젯 절단은 이러한 이점을 제공하지만, 특정 용도에 맞게 이 두 가지 방법 중에서 선택할 때는 절단 속도, 재료 두께 제한 및 운영 비용과 같은 요소를 고려하는 것이 중요합니다.
금속 가공에서 와이어 방전 가공(WEDM)과 워터젯 절단은 다양한 응용 분야에 뚜렷한 이점을 제공합니다. WEDM은 정밀도가 뛰어나 ±0.0001인치(±2.5μm)의 엄격한 공차를 달성할 수 있어 복잡한 형상과 단단한 소재에 이상적입니다. 그러나 절단 속도는 재료 두께와 원하는 표면 마감에 따라 일반적으로 시간당 0.1~4인치(2.5~100mm/h) 범위로 비교적 느립니다.
WEDM은 시작 구멍을 위한 사전 드릴링 또는 와이어 스레딩과 같은 추가 준비 단계가 필요할 수 있으므로 전체 가공 시간이 늘어날 수 있습니다. 또한 WEDM은 와이어 및 기계 테이블의 크기에 의해 제한되며, 일반적으로 공작물 치수가 두께 20인치(500mm) 미만으로 제한됩니다.
반대로 연마성 워터젯 절단은 더 다양한 기능과 속도를 제공합니다. 연질 플라스틱부터 경화강까지 다양한 소재를 분당 최대 20인치(500mm/min)의 절단 속도로 얇은 소재를 가공할 수 있습니다. 워터젯 절단은 한 번에 최대 6인치(150mm) 두께의 재료를 절단할 수 있어 신속한 프로토타이핑과 대규모 생산에 탁월합니다.
워터젯의 가장 큰 장점은 유연성에 있습니다. 공구를 교체하지 않고 피어싱과 절삭 작업을 모두 수행할 수 있으며 수압, 연마재 유량 및 노즐 크기를 변경하여 절삭 폭(커프)을 조정할 수 있습니다. 이러한 적응성 덕분에 복잡한 소형 부품부터 대형 구조물까지 다양한 구성 요소를 가공할 수 있으며, 일부 시스템에서는 10피트(3미터)를 초과할 수 있는 기계의 베드 크기에 의해 제한됩니다.
워터젯 절단은 일반적으로 WEDM(일반적인 공차 ±0.003인치 또는 ±0.075mm)보다 정밀도가 낮지만, 속도, 다목적성 및 확장성이 결합되어 있어 초정밀도가 중요하지 않은 많은 금속 제조 응용 분야에서 선호되는 선택입니다.
펀칭 및 전단 공정은 특정 금속 부품에 효율적이고 신속한 절단 솔루션을 제공하지만 특수한 툴링이 필요하므로 유연성이 제한됩니다. 이러한 방법은 적당한 두께의 표준화된 부품을 대량으로 생산할 때 가장 효과적입니다.
반면 워터젯 절단은 다양한 재료의 복잡한 형상을 절단할 때 비교할 수 없는 다재다능함을 제공합니다. 워터젯은 열을 사용하지 않기 때문에 펀칭이나 전단과 같은 기존 방식이 비현실적이거나 불가능할 수 있는 두껍고 단단하거나 열에 민감한 재료를 절단하는 데 특히 유리합니다. 워터젯 절단은 재료 무결성을 유지하고 열에 영향을 받는 영역을 피하며 재료 낭비를 최소화하는 데 탁월합니다.
화염 절단은 두꺼운 부분을 절단할 수 있다는 점에서 금속 산업에서 널리 사용되지만, 상당한 한계가 있습니다. 이 공정은 열의 영향을 받는 넓은 영역을 생성하여 열 변형, 가장자리 품질 저하, 치수 정확도 저하를 초래합니다. 또한 철 금속으로 제한되며 비철 합금이나 비금속 재료에는 적용할 수 없습니다.
워터젯 절단은 이러한 한계를 극복하여 고온 합금, 복합재, 유리, 석재, 세라믹과 같은 깨지기 쉬운 소재를 포함한 다양한 소재에 고정밀 절단을 제공합니다. 냉간 절단 공정은 열 응력을 최소화하여 재료 특성을 보존하고 엄격한 공차를 구현하며, 일반적으로 재료 두께에 따라 ±0.1mm 이상의 정확도를 달성할 수 있습니다.
그러나 다른 방법이 특정 가공 요건을 더 효율적이거나 비용 효율적으로 충족할 수 있는 경우 워터젯 절단이 최적의 선택이 아닐 수도 있다는 점을 고려해야 합니다. 예를 들어 레이저 절단은 얇거나 중간 두께의 금속에 더 빠른 절단 속도와 우수한 가장자리 품질을 제공하는 경우가 많습니다. 플라즈마 절단은 적당한 두께의 전도성 재료에 대해 속도와 비용의 균형을 제공합니다.
워터젯 절단의 운영 비용은 주로 고압 펌프, 특수 연마제, 노즐 및 초점 튜브와 같이 마모가 쉬운 부품으로 인해 상당할 수 있습니다. 이러한 소모품은 전문 공급업체에서 조달하는 경우가 많기 때문에 다른 대체 방법에 비해 부품당 비용이 더 많이 듭니다.
결론적으로 워터젯 절단은 다용도성, 정밀성 및 재료 호환성에서 고유한 이점을 제공하지만, 특정 프로젝트 요구 사항, 생산량, 재료 특성 및 경제적 고려 사항을 기반으로 다른 절단 기술과 비교하여 신중하게 평가해야 합니다.
워터젯 절단 장비의 전체 세트에는 최소한 초고압 펌프, 워터젯 절단 헤드 장치와 같은 구성품이 포함되어야 합니다, CNC 커팅 테이블, 컴퓨터 제어 캐비닛이 있습니다.
자세한 내용은 다음과 같습니다:
워터젯 절단은 레이저, 플라즈마 및 기타 열 절단 방식과 마찬가지로 에너지 소산 효과로 인해 절단 깊이가 증가함에 따라 절단 효율이 떨어집니다. 이러한 현상으로 인해 절단면이 수직이 아닌 경우가 많아 테이퍼 또는 커프 각도가 발생하며, 이는 대부분의 절단 공정에서 내재된 문제입니다.
제트 출력을 높이거나 절단 속도를 줄임으로써 이러한 테이퍼를 완화하려는 시도는 어느 정도 개선되었지만, 비수직 절단 문제를 완전히 제거할 수는 없습니다. 이러한 접근 방식은 종종 에너지 소비 증가, 생산성 저하 또는 열에 민감한 재료의 잠재적인 열 왜곡으로 이어집니다.
1997년, 이 문제를 해결하기 위해 틸트식 커팅 헤드라는 획기적인 개념이 도입되었습니다. 오늘날 이 기술을 통합한 고급 5축 워터젯 절단 시스템이 상용화되어 테이퍼를 최소화하고 절단 정확도를 향상시키는 가장 직접적이고 효과적인 솔루션을 제공합니다.
5축 워터젯 커팅 시스템은 기존의 3축 플랫폼(X, Y, Z)에 2개의 추가 회전축(A, B)을 더한 것입니다. 이 구성으로 커팅 헤드가 기울어지고 회전하여 제트 기류의 자연스러운 발산을 보정할 수 있습니다. 이 시스템은 재료 특성, 두께 및 원하는 절단 형상과 같은 요소를 고려하는 정교한 알고리즘을 사용하여 사전 설정된 테이퍼 보정 모델을 생성합니다.
작동 중 커팅 헤드는 계산된 커팅 궤적에 따라 실시간으로 각도를 동적으로 조정합니다. 이러한 연속 관절은 고압 워터젯이 절단 프로세스 내내 최적의 공격 각도를 유지하여 테이퍼 효과를 효과적으로 중화합니다. 그 결과 두꺼운 소재나 복잡한 형상에서도 테이퍼를 최소화하면서 거의 완벽에 가까운 간섭 없는 가장자리 품질을 얻을 수 있습니다.
5축 워터젯 절단 기술을 구현하면 절단 품질과 정확도가 향상될 뿐만 아니라 고급 3D 프로파일링, 베벨링 및 카운터싱크 작업을 포함하도록 워터젯 절단 기능을 확장할 수 있습니다. 이러한 다재다능함은 워터젯 절단의 고유한 장점인 냉간 절단 및 재료 다용도성과 결합되어 현대 정밀 제조 공정에서 점점 더 가치 있는 도구가 되고 있습니다.
맥동: 압력이 불안정합니다(예: 150MPa~230MPa).
솔루션:
문제를 해결하려면 먼저 급수 투명 파이프의 맥동이 정상인지 확인하세요. 어떤 고압 실린더가 문제를 일으키는지 확인했다면 해당 실린더를 분해하여 급수 밸브 코어, 급수 밸브 시트 및 스프링을 점검하세요.
일반적으로 이러한 부품을 수리하면 문제가 해결되지만 수리할 수 없는 경우 교체해야 할 수도 있습니다. 스프링은 이 상황에서 흔히 발생하는 문제입니다.
압력은 정상 상태가 아닌 압력에서 안정적입니다.
예: 기존 230MPa, 현재 170Mpa 또는 140MPa.
솔루션:
급수관의 펄스를 확인하여 고압 실린더 중 하나에서 급수 밸브 코어를 막고 있는 불순물이 있는지 확인합니다.
압력 릴리프 밸브에 누수가 있는지 검사하고 작은 물탱크로 물이 되돌아가는지 확인합니다.
메인 엔진의 모든 부품에 누수가 있는지 검사하세요.
압력은 수십 M에 불과합니다.pa또는 압력 없음
수도, 전기, 가스 공급이 정상인지 확인합니다.
벨트가 미끄러지거나 느슨하지 않은지 확인합니다.
다이아몬드 연마재가 추가되었는지 확인합니다.
두 개의 실린더가 동시에 작동하지 않으면 압력이 현저히 감소하거나 아예 존재하지 않으므로 ④ 세 개의 고압 실린더 중 하나라도 작동하지 않는지 확인합니다.
크랭크케이스의 고압 실린더의 비정상적인 소음, 전류계의 큰 점프 범위 및 불안정한 압력.
소음에는 두 가지 잠재적 원인이 있습니다:
솔루션:
절단 유리가 깨질 수 있습니다.
보석과 모래 파이프
보석의 정상적인 수명은 17시간에서 7-14일입니다. 장기간 사용하면 절단 품질이 저하되어 절단 헤드 주변에 안개가 많이 끼거나 물 화살이 흩어지고 가장자리가 건너뛰거나 날카로운 이빨, 압력 표시값이 정상 주파수에 비해 차이가 나는 등의 증상이 나타날 수 있습니다.
모래 파이프의 경우 품질과 사용 시간에 따라 정상적인 수명은 3-8개월입니다. 시간이 지나면 노즐이 커지거나 편심 구멍 또는 타원형 모양이 되어 절단 공작물에 높은 경사, 벨 모서리, 각도 붕괴 및 기타 문제가 발생할 수 있습니다. 이로 인해 공작물 크기가 줄어들거나 절단 속도가 저하될 수 있습니다.
압력은 정상이고 급수관은 정상이지만 절단 능력이 좋지 않습니다.
실패 원인:
처리 방법:
시스템 압력은 정상이지만 절단 능력이 떨어집니다.
실패 원인:
처리 방법:
고압을 켜면 모래 파이프에서 물이 나오지 않는 반면 모래 흡입 파이프에서 물이 나옵니다.
실패 원인:
처리 방법:
모래를 첨가하지 않은 수선은 정상이며 모래 첨가 후 물이 발산되고 절단 능력이 감소합니다.
실패 원인:
처리 방법:
"모래 날리기 절단"
"방향 밸브가 작동하지 않음"
위의 요인이 있는 경우 릴레이가 느슨하지 않은지, 방향 밸브 2면의 스트라이커가 끼어 있지 않은지 확인합니다.
"주 모터 비정상 작동"
기계가 삼각형 패턴으로 시작과 정지를 반복하는 경우 온도 컨트롤러에서 설정한 상한 압력을 초과했는지 확인합니다.
"압력 게이지 알람"
"캐비닛 실패"
위의 조건을 배제한 후 15초마다 비상 정지를 재생하고 해제하여 상황이 해결되었는지 확인합니다.
그렇지 않은 경우 전원을 차단하고 전체 기기를 다시 시작하세요. 문제가 지속되면 제조업체에 문의하세요.
"대형 밸브 본체"
“커터 헤드 스위치“
물을 밀봉할 수 없습니다: 절단 후 스위치를 두 번째 위치로 이동해도 고압이 멈추지 않습니다. 이로 인해 기계가 계속 작동하면 공작물이 연마될 수 있습니다.
문제 해결 단계: 먼저 개방된 공기가 있는지 확인합니다. 그런 다음 공기 밸브가 제대로 작동하는지 확인합니다.
문제를 해결한 후에도 문제가 지속되면 커터 헤드의 릴리프 밸브를 분해하고 바늘과 시트의 마모 또는 부적합 여부를 검사하세요. 필요한 경우 마모된 부품을 교체하세요.
“컴퓨터“
작동하지 않음: 컴퓨터가 작동하지 않는 경우 문제 해결을 위해 5항을 참조하세요. 문제가 해결되지 않으면 컴퓨터 유지보수 전문가에게 도움을 요청하세요.
백업: 시스템 마비 시 하드 드라이브에 백업이 있으며, '원클릭 고스트 복원' 기능을 사용하여 복원할 수 있습니다.
수리: 다른 결함이 있는 경우 컴퓨터를 수리점으로 가져갈 수 있습니다. 단, 새 시스템에 Auto CAD 소프트웨어와 Ncstudio 커팅 소프트웨어가 설치되어 있는지 확인하여 제대로 작동하는지 확인해야 합니다.
네트워크 연결: 컴퓨터 부서에서는 잠재적인 오염을 방지하기 위해 네트워크 케이블을 인터넷에 연결해야 합니다.
먼지 청소: 컴퓨터를 정기적으로 청소하여 쌓인 먼지를 제거하는 것이 좋습니다.
"커팅 소프트웨어“
1-1) 커팅 소프트웨어를 열었을 때 "하드웨어 자체 검사 오류"라는 오류 메시지가 표시되면 다음 단계에 따라 드라이버를 업데이트하세요:
참고: 현재 단계가 완료될 때까지 다음 단계로 이동하지 마세요.
1-2) 드라이버를 업데이트해도 문제가 해결되지 않으면 자르기 소프트웨어를 다시 설치해 보세요. 문제가 지속되면 나중에 다시 시도하세요.
1-3) 이전 단계로 문제가 해결되지 않으면 컴퓨터를 분해하여 문제를 해결해야 할 수도 있습니다.
문제가 지속되면 슬롯 위치를 변경하고 단계를 다시 시도해 보세요.
2) 소프트웨어를 열 때 오류 메시지가 표시되지 않지만 버튼을 누르거나 커팅 소프트웨어를 설치할 수 없는 경우 다음 단계를 시도해 보세요:
참고: 새 시스템 설치를 시도하기 전에 중요한 데이터와 파일을 백업하세요.
3) 소프트웨어가 기기를 제어할 수 없는 경우 다음 단계에 따라 문제를 해결하세요:
참고: 문제를 해결할 수 없는 경우 자격을 갖춘 기술자에게 도움을 요청하세요.
4) 그래도 소프트웨어가 작동하지 않으면 전원을 끄고 다시 시도하세요.
5) 도면이 열리지 않으면 현재 CAD에서 도면이 열려 있는지 확인합니다. CAD를 닫고 원하는 도면을 엽니다.
6) 원점 위치:
정상 작동 여부를 확인할 때 비상 정지 버튼을 누르면 원점이 움직일 수 있습니다.
XY축의 한계를 테스트하는 경우 원점이 움직일 수도 있습니다. 공작물이 움직이고 있거나 제대로 고정되지 않았는지 확인합니다.
7) XY 축이 비활성 상태인 경우:
참고: 문제가 지속되면 자격을 갖춘 기술자에게 도움을 요청하세요.
10. 유지 관리
안정성 및 운영 수명 향상
고압 펌프, 고압 호스, 커넥터, 노즐 등 핵심 부품의 수명과 성능을 개선하는 데 상당한 초점을 맞춰야 합니다. 고급 소재와 정밀 엔지니어링 기술을 사용하여 내마모성과 작동 안정성을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 최적화를 통해 전반적인 효율성을 높일 뿐만 아니라 연마재 소비와 에너지 사용량을 줄여 궁극적으로 비용 효율성과 시장 경쟁력을 향상시킬 수 있습니다.
지능형 제어 시스템 구현
실시간 적응형 제어 시스템을 통합하면 가공 중 공정 파라미터를 동적으로 조정할 수 있어 정확도와 정밀도가 크게 향상됩니다. 이러한 고급 접근 방식을 통해 플라즈마 및 레이저 가공의 기술적, 경제적 이점을 능가하는 엄격한 정확도 요건을 갖춘 부품을 생산할 수 있습니다. 기계 학습 알고리즘을 통합하여 절삭 경로를 최적화하고, 유지보수 필요성을 예측하고, 재료 특성 및 절삭 깊이에 따라 연마 유량을 미세 조정할 수 있습니다.
애플리케이션 도메인 확장
워터젯 가공의 활용성은 계속해서 성장하고 있으며, 기존의 2차원 절단 및 디버링 작업에서 더 복잡한 응용 분야로 발전하고 있습니다. 여기에는 정밀 홀 가공, 3차원 표면 컨투어링, 미세 가공 기능까지 포함됩니다. 항공 우주, 의료 기기 제조, 첨단 복합재 가공 분야의 새로운 응용 분야는 고부가가치 제조 분야에 대한 기술의 적응성과 잠재력을 보여줍니다.
이론 연구 및 모델링 발전
워터젯 기술의 경계를 넓히기 위해서는 기초 연구에 중점을 두는 것이 중요합니다. 유체 역학, 연마 입자 거동 및 재료 제거 메커니즘을 고려한 종합적인 워터젯 가공 모델을 개발하면 공정에 대한 심층적인 통찰력을 얻을 수 있습니다. 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션과 결합된 고급 다상 유동 이론 연구는 노즐 설계 최적화, 연마재 혼합 효율 개선, 제트-재료 상호 작용에 대한 이해도 향상으로 이어질 수 있습니다. 이러한 이론적 토대는 노즐 형상, 펌프 설계 및 전반적인 시스템 효율성의 혁신을 주도할 것입니다.
MachineMFG의 창립자인 저는 10년 넘게 금속 가공 산업에 종사해 왔습니다. 폭넓은 경험을 통해 판금 제조, 기계 가공, 기계 공학 및 금속용 공작 기계 분야의 전문가가 될 수 있었습니다. 저는 이러한 주제에 대해 끊임없이 생각하고, 읽고, 글을 쓰면서 제 분야에서 선두를 유지하기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다. 저의 지식과 전문성을 귀사의 비즈니스에 자산으로 활용하세요.
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